D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.09.045 第29卷第9期 北京科技大学学报 Vol.29 No.9 2007年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2007 岩石热断裂破坏特性研究 谢卫红)高峰)李顺才3) 1)徐州空军学院机场工程系，徐州2210002)中国矿业大学理学院，徐州221008 3)徐州师范大学电子工程学院，徐州221011 摘要岩石的热膨胀是不可逆的，会受加热历史的影响，加热时的特性和冷却后的特性差异较大，本文研究了温度载荷作 用下岩石材料在压缩和拉伸时的热断裂破坏过程，分析了岩石热断裂破坏的宏观力学特性，探讨了岩石宏观热破坏作用机 理·根据岩石热破坏机理与岩石强度准则，计算了试件在各温度作用下受压和受拉破坏时产生的最大应力·计算结果能较好 地与实验结果吻合 关键词岩石：热力学特性：断裂机理：实时实验；强度准则 分类号TU45 在不同温度作用下岩石断裂破坏特性差异较大 观结构特征和热断裂破坏行为的研究尚未见报道， 且不确定性大.寇绍全中研究了20~600℃不同温 主要原因是受实验条件的限制，本文利用带扫描电 度的热处理对Stripa花岗岩变形及破坏特性的影 镜的高温疲劳实验机，对在温度作用下的岩石断裂 响，发现抗压强度随热处理温度的变化规律与抗拉 破坏过程进行了较为系统的实时实验研究：从实验 强度和断裂韧性不同.Hueze也考察过花岗岩经 结果出发，对影响岩石的热断裂破坏特性的因素、机 不同温度热处理后的某些力学性质.Bredel)研究 理及强度准则进行了初步的探讨和分析， 了温度对材料韧脆转变的影响，发现韧脆转变温度 随着加载率升高而升高，Khantha等)在研究温度 1 实验设备与方法 对晶体断裂行为时指出，存在一个转变温度，低于该 热细观实验在清华大学破坏力学重点实验室完 温度，晶体的断裂是脆性的：高于该温度，断裂是韧 成，采用的设备是带扫描电镜的岛津SEM高温疲 性的，AlShayea等]研究了石灰岩在温度和围压 劳实验机系统，该套系统将高精度的扫描电镜与全 作用下的破坏模式和断裂韧度，得出不同类型破坏 数字电液伺服加载和高精确度升温系统结合起来， 模式的断裂韧度随温度和围压的影响程度和变化趋 用于观测在温度作用下静态和动态加载时固体材料 势不一样.桑祖南等可进行了辉长岩脆一塑性转化 细观结构的变化和缺陷演化方式，可以实现外部应 及其影响因素的高温高压实验研究并指出：辉长岩 力状态与内部细观结构变化相对应，实验开始时以 在600℃时以脆性破裂为主，700~850℃时为半脆 5℃mim-1升温速率从室温升到100℃，恒温30min 性变形且含微破裂，900℃以上表现为塑性变形阶 后再以同样的升温速率升到200℃，恒温30min后 段；辉长岩的成分、结构对岩石的力学性质和变形机 再以同样的速率升温到300℃，依此类推，升温到 制有显著影响.许锡昌等[门进行了高温下花岗岩基 400℃、500℃，观察石灰岩试件细观结构随温度的 本力学性质初步研究，通过实验研究了花岗岩在单 变化并扫描图片 轴压缩(20~600℃)状态下主力学性能参数随温度 的变化规律. 2岩石热破坏过程中的宏观力学特性 热岩石力学研究领域中，有关压应力作用下的 2.1单向压缩时岩石的宏观热力学特性 实验和理论研究成果比较多，而有关拉应力作用下 2.1.1温度对弹性模量和抗压破坏强度的影响 的研究成果很少，在温度作用下实时观测岩石的细 图1为试件在不同温度条件下破坏时抗压强度 收稿日期：2006-04-24修回日期：2006-11-07 与温度的关系曲线，虽然破坏抗压强度随着温度的 基金项目：国家重点基础研究发展规划“973”计划资助项目(N。 升高变化幅度有所差别，但总的趋势是一致的，当 2002CB412705):创新群体项目(No.50221402):江苏省自然科学基 金资助项目(Na.BK2007029) 加热温度升高到200℃时，与常温时比较，石灰岩强 作者简介：谢卫红(1962一)：女，教授，博士 度略有下降，但幅度很小：而在加热温度达到300℃
岩石热断裂破坏特性研究 谢卫红1） 高 峰2） 李顺才3） 1） 徐州空军学院机场工程系徐州221000 2） 中国矿业大学理学院徐州221008 3） 徐州师范大学电子工程学院徐州221011 摘 要 岩石的热膨胀是不可逆的会受加热历史的影响加热时的特性和冷却后的特性差异较大．本文研究了温度载荷作 用下岩石材料在压缩和拉伸时的热断裂破坏过程分析了岩石热断裂破坏的宏观力学特性探讨了岩石宏观热破坏作用机 理．根据岩石热破坏机理与岩石强度准则计算了试件在各温度作用下受压和受拉破坏时产生的最大应力．计算结果能较好 地与实验结果吻合． 关键词 岩石；热力学特性；断裂机理；实时实验；强度准则 分类号 TU45 收稿日期：2006-04-24 修回日期：2006-11-07 基金项目：国家重点基础研究发展规划“973” 计划资助项目（No． 2002CB412705）；创新群体项目（No．50221402）；江苏省自然科学基 金资助项目（No．BK2007029） 作者简介：谢卫红（1962—）女教授博士 在不同温度作用下岩石断裂破坏特性差异较大 且不确定性大．寇绍全［1］研究了20～600℃不同温 度的热处理对 Stripa 花岗岩变形及破坏特性的影 响发现抗压强度随热处理温度的变化规律与抗拉 强度和断裂韧性不同．Hueze ［2］也考察过花岗岩经 不同温度热处理后的某些力学性质．Brede ［3］ 研究 了温度对材料韧脆转变的影响发现韧脆转变温度 随着加载率升高而升高．Khantha 等［4］在研究温度 对晶体断裂行为时指出存在一个转变温度低于该 温度晶体的断裂是脆性的；高于该温度断裂是韧 性的．Al—Shayea 等［5］研究了石灰岩在温度和围压 作用下的破坏模式和断裂韧度得出不同类型破坏 模式的断裂韧度随温度和围压的影响程度和变化趋 势不一样．桑祖南等［6］进行了辉长岩脆—塑性转化 及其影响因素的高温高压实验研究并指出：辉长岩 在600℃时以脆性破裂为主700～850℃时为半脆 性变形且含微破裂900℃以上表现为塑性变形阶 段；辉长岩的成分、结构对岩石的力学性质和变形机 制有显著影响．许锡昌等［7］进行了高温下花岗岩基 本力学性质初步研究通过实验研究了花岗岩在单 轴压缩（20～600℃）状态下主力学性能参数随温度 的变化规律． 热岩石力学研究领域中有关压应力作用下的 实验和理论研究成果比较多而有关拉应力作用下 的研究成果很少在温度作用下实时观测岩石的细 观结构特征和热断裂破坏行为的研究尚未见报道 主要原因是受实验条件的限制．本文利用带扫描电 镜的高温疲劳实验机对在温度作用下的岩石断裂 破坏过程进行了较为系统的实时实验研究；从实验 结果出发对影响岩石的热断裂破坏特性的因素、机 理及强度准则进行了初步的探讨和分析． 1 实验设备与方法 热细观实验在清华大学破坏力学重点实验室完 成采用的设备是带扫描电镜的岛津 SEM 高温疲 劳实验机系统．该套系统将高精度的扫描电镜与全 数字电液伺服加载和高精确度升温系统结合起来 用于观测在温度作用下静态和动态加载时固体材料 细观结构的变化和缺陷演化方式可以实现外部应 力状态与内部细观结构变化相对应．实验开始时以 5℃·min —1升温速率从室温升到100℃恒温30min 后再以同样的升温速率升到200℃恒温30min 后 再以同样的速率升温到300℃依此类推升温到 400℃、500℃观察石灰岩试件细观结构随温度的 变化并扫描图片． 2 岩石热破坏过程中的宏观力学特性 2∙1 单向压缩时岩石的宏观热力学特性 2∙1∙1 温度对弹性模量和抗压破坏强度的影响 图1为试件在不同温度条件下破坏时抗压强度 与温度的关系曲线．虽然破坏抗压强度随着温度的 升高变化幅度有所差别但总的趋势是一致的．当 加热温度升高到200℃时与常温时比较石灰岩强 度略有下降但幅度很小；而在加热温度达到300℃ 第29卷 第9期 2007年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．9 Sep．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．09．045
,864 北京科技大学学报 第29卷 时，石灰岩强度下降明显，为常温时的67.42%；加 从室温到100℃再升到200℃的应力一应变曲线过 热温度为500℃时，强度继续下降，但相对于300℃ 程可分为三段：第一段为线弹性阶段，此段曲线整体 时趋于缓和，相当于常温时强度的58.09%.在该温 呈直线型，应力随应变的增加而逐渐线性增加：第二 度范围内用最小二乘法分析，强度下降呈线性，这一 段应变随应力增加较缓慢：第三段曲线整体呈直线 结果符合于碳酸盐岩强度随温度变化规律.可以认 形，应力急剧增大到破坏.300℃时的应力一应变曲 为，加热温度较低时（不超过200℃），岩石受热产生 线近似为直线，而在500℃的该段曲线不为直线，应 膨胀，虽然由此伴随产生一定的结构热应力，但未超 变随应力非线性增进。石灰岩试件在从室温到 过岩石的极限抗压强度，因此未出现新的微裂纹，岩 500℃范围内，随着温度的升高，岩石的脆性总体在 石强度变化不大.当温度进一步升高到300℃，岩 逐渐增强，不同的温度点对应试件的脆性不一样：从 石受热产生的结构热应力明显增强，超过岩石的极 室温到300℃内，试件的脆性随着温度的增加急剧 限强度，在岩石中将形成新的微裂纹，裂纹的存在和 增加，300℃是脆性增加到临界极值的临界温度点； 不可逆的裂纹扩展变形使得岩石微结构发生变化， 当温度升高到500℃时，脆性较300℃时低，但仍然 碎裂结构增多，从而导致岩石强度的明显下降，对 比室温时的脆性大，可以认为对本石灰岩试件， 于本实验的结果来说，300℃是石灰岩强度开始急 300℃是材料脆性增加和降低的温度点，由于受实 剧下降的温度点 验仪器的限制，温度仅升高到500℃，没有再升到更 100 高的实验温度 80 100r 60 80 y=0.0861x+93.916 60 R2=0.9222 40 ■一室温 ◆一T=100℃ 100 200300 400500600 ★一7T-200℃ 20 T/℃ -7T=300℃ -x-7T=400℃ 图1破坏抗压强度随温度的变化 020406080100120 Fig.1 Curve of failure compressive strength vs.temperature E104 图2为弹性模量随温度变化关系曲线，从图2 图3石灰岩在压缩加载时不同温度下应力应变曲线 Fig-3 Stress strain curve in uniaxial compression at different tem- 可以看出：弹性模量随温度变化的规律不单调，但总 peratures 的趋势是非线性增加，弹性模量明显增加所对应温 度阀值与抗压强度明显减小所对应的温度阀值相对 2.2单向拉伸时岩石的宏观热力学特性 应，温度阀值均为300℃. 2.2.1温度对抗拉破坏强度的影响 1000r ◆ 在温度载荷作用下，试件拉伸强度受应力腐蚀 800 (断裂)的影响，其拉伸强度随温度的增加非线性下 降，只不过是下降程度不一样，如图4所示，在从室 600 温升到100℃范围内，拉伸强度随着温度的升高急 400 剧下降，其拉伸强度为常温时的24.33%；100~ 200 ■ ■ 200℃范围内，拉伸强度随温度升高反而逐渐增加； ■ ■ 200~300℃范围内，拉伸强度随着温度的升高逐渐 0 100 200300400 500 TY℃ 下降；300~400℃温度范围内，拉伸强度随着温度 的升高急剧增加，石灰岩破坏拉伸强度的下降比破 图2弹性模量随温度的变化图 坏压缩强度的下降显著，显然拉伸强度的下降与微 Fig-2 Curve of elastic moduli vs.temperature 观热裂纹生成紧密相联 2.1.2温度对应力应变曲线的影响 2.2.2温度对应力应变曲线的影响 图3为单向压缩加载过程中的应力一应变曲线 从压缩实验结果可知，在500℃范围内，拉伸实
时石灰岩强度下降明显为常温时的67∙42％；加 热温度为500℃时强度继续下降但相对于300℃ 时趋于缓和相当于常温时强度的58∙09％．在该温 度范围内用最小二乘法分析强度下降呈线性这一 结果符合于碳酸盐岩强度随温度变化规律．可以认 为加热温度较低时（不超过200℃）岩石受热产生 膨胀虽然由此伴随产生一定的结构热应力但未超 过岩石的极限抗压强度因此未出现新的微裂纹岩 石强度变化不大．当温度进一步升高到300℃岩 石受热产生的结构热应力明显增强超过岩石的极 限强度在岩石中将形成新的微裂纹裂纹的存在和 不可逆的裂纹扩展变形使得岩石微结构发生变化 碎裂结构增多从而导致岩石强度的明显下降．对 于本实验的结果来说300℃是石灰岩强度开始急 剧下降的温度点． 图1 破坏抗压强度随温度的变化 Fig．1 Curve of failure compressive strength vs．temperature 图2为弹性模量随温度变化关系曲线．从图2 可以看出：弹性模量随温度变化的规律不单调但总 的趋势是非线性增加．弹性模量明显增加所对应温 度阀值与抗压强度明显减小所对应的温度阀值相对 应温度阀值均为300℃． 图2 弹性模量随温度的变化图 Fig．2 Curve of elastic moduli vs．temperature 2∙1∙2 温度对应力—应变曲线的影响 图3为单向压缩加载过程中的应力—应变曲线． 从室温到100℃再升到200℃的应力—应变曲线过 程可分为三段：第一段为线弹性阶段此段曲线整体 呈直线型应力随应变的增加而逐渐线性增加；第二 段应变随应力增加较缓慢；第三段曲线整体呈直线 形应力急剧增大到破坏．300℃时的应力—应变曲 线近似为直线而在500℃的该段曲线不为直线应 变随应力非线性增进．石灰岩试件在从室温到 500℃范围内随着温度的升高岩石的脆性总体在 逐渐增强不同的温度点对应试件的脆性不一样：从 室温到300℃内试件的脆性随着温度的增加急剧 增加300℃是脆性增加到临界极值的临界温度点； 当温度升高到500℃时脆性较300℃时低但仍然 比室温时的脆性大．可以认为对本石灰岩试件 300℃是材料脆性增加和降低的温度点．由于受实 验仪器的限制温度仅升高到500℃没有再升到更 高的实验温度． 图3 石灰岩在压缩加载时不同温度下应力－应变曲线 Fig．3 Stress-strain curve in uniaxial compression at different temperatures 2∙2 单向拉伸时岩石的宏观热力学特性 2∙2∙1 温度对抗拉破坏强度的影响 在温度载荷作用下试件拉伸强度受应力腐蚀 （断裂）的影响其拉伸强度随温度的增加非线性下 降只不过是下降程度不一样如图4所示．在从室 温升到100℃范围内拉伸强度随着温度的升高急 剧下降其拉伸强度为常温时的24∙33％；100～ 200℃范围内拉伸强度随温度升高反而逐渐增加； 200～300℃范围内拉伸强度随着温度的升高逐渐 下降；300～400℃温度范围内拉伸强度随着温度 的升高急剧增加．石灰岩破坏拉伸强度的下降比破 坏压缩强度的下降显著显然拉伸强度的下降与微 观热裂纹生成紧密相联． 2∙2∙2 温度对应力—应变曲线的影响 从压缩实验结果可知在500℃范围内拉伸实 ·864· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第9期 谢卫红等：岩石热断裂破坏特性研究 ,865 20 研究表明，岩石的热应变是随着温度的升高而 增加，热应变与温度之间的关系一般呈二次曲线或 16 y0.0003x2-0.1525x+20.882 三次曲线关系，而本实验研究发现：石灰岩在压缩 12F R2-0.8148 时的热应变是随着温度的增高而近似于非线性减 8 小，在拉伸时的热应变是随温度有增有减的，从室 温到300℃之间，热应变随温度非线性增加：当从 300℃升温到400℃时，热应变随温度非线性减小， 100 200300 400 500 脆性增加.最突出的特点是，试样的力学性质参量， m℃ 如抗压强度、弹性模量都在300℃取极值，类似现象 图4石灰岩抗拉强度随温度的变化 未见报导，产生这种现象的原因可能是：经过从室 Fig-4 Curve of tension strength vs.temperature 温到300℃温度加热后，新热裂纹增殖使其强度下 降，岩石中水分的蒸发和内部结构调整使材料的脆 验时的破坏强度对裂纹生成与压缩实验时的破坏强 性增强，岩石在一定温度下的细观结构改变，热开裂 度相比更加敏感和直接.为了比较压缩时的应力一 将随着温度的再升高形成主要控制因素，从而使材 应变曲线，研究拉伸时的应力一应变曲线是必要的 料由脆性向塑性发展，力学性质弱化 由图5中可见，在室温情况下的拉伸应力应变曲线 近乎为直线，其他温度作用下的拉伸应力一应变曲 3岩石宏观热破坏作用机理 线与室温的相比，有些弯曲转折，但总的趋势近似为 岩石是由一种或几种矿物物质组成的物体，由 直线.在从室温升到200℃范围内，应力一应变曲线 于组成岩石矿物的物理力学性质不同，成岩条件和 中的应变随着温度的变化非线性增大，材料脆性减 成岩过程不同，岩石内部组织结构也有很大的差异， 小，塑性变形增大，拉伸弹性模量减小；当温度升到 造成岩石的非均匀性，岩石在单轴压缩和单轴拉伸 300℃时，材料应变减小，脆性增强，弹性模量增大； 时，裂纹的作用是不同的，岩石的热断裂破坏机理也 当温度从300℃升高到400℃时，拉伸弹性模量总 的趋势减小但稍微比100~200℃范围内的弹性模 是不同的 3.1岩石在单轴受压时热裂纹的发展 量大些.因而，300℃是脆一塑转变的特征温度点， 比较岩石热处理后的应力应变曲线0]，花岗岩的 在单轴受压过程中，在外力和温度作用下，岩石 内部矿物颗粒间的剪切滑移和膨胀导致热裂纹的萌 拉伸弹性模量是随着温度的增大非线性减小，应变 生，从而改变了岩石内部的应力状态.在没有围压 随着温度的升高而增加，岩石随温度的增加脆性减 的单轴压缩作用下，岩石将产生沿轴向的张拉破坏， 小，塑性变形增加，脆性固体中宏观弱点的出现，是 其破裂机制是张拉破坏为主，局部剪切破坏，此外， 由于裂纹缺口周围存在着高度的应力集中，在拉伸 裂纹尖端张应力和剪应力大小的不同对裂纹扩展方 情况下，其中有些裂纹逐渐扩大和传播，并产生或导 式也有影响，剪应力的增大使岩石颗粒体的刚度转 致矿物颗粒边界或颗粒内部发生张开，产生破坏前 无明显特征的突然破坏 动加大，这一运动使局部区域的应力分布更加复杂， ◆一室温 裂纹分叉和曲折程度增加，再者由于温度的作用， -T=100℃ 岩石胶结物软化而造成胶结物承载能力下降，机械 20 T=200℃ -T-300℃ 压缩载荷和热应力共同作用，在裂纹缺口处出现应 -T=400℃ 15H 力集中，由于胶结物强度较低，通过胶结物传递给矿 物颗粒的应力不足以使颗粒破裂，这样在缺口处的 10 米 胶结物产生孔洞，导致胶结物与矿物晶体出现脱胶 5 和矿物颗粒间产生边界滑移，因此不同矿物晶粒边 界间产生的热裂纹，是温度作用下热裂纹产生的主 5 1015 2025 要生成机制，实验中可以观察到，在压缩加载破坏 e104 过程中，试件表面崩溃几乎伴随着破坏的全过程，特 图5石灰岩拉伸时在不同温度下应力应变曲线 别是在样品的边缘部分更是如此、在温度载荷作用 Fig.5 Stress-strain curve in uniaxial tension at different tempera- 下产生的裂纹与裂纹扩展与常温下没有明显区别， tures 主要位于加载方向，沿着轴向发展，最终导致试样的
图4 石灰岩抗拉强度随温度的变化 Fig．4 Curve of tension strength vs．temperature 图5 石灰岩拉伸时在不同温度下应力－应变曲线 Fig．5 Stress-strain curve in uniaxial tension at different temperatures 验时的破坏强度对裂纹生成与压缩实验时的破坏强 度相比更加敏感和直接．为了比较压缩时的应力— 应变曲线研究拉伸时的应力—应变曲线是必要的． 由图5中可见在室温情况下的拉伸应力—应变曲线 近乎为直线其他温度作用下的拉伸应力—应变曲 线与室温的相比有些弯曲转折但总的趋势近似为 直线．在从室温升到200℃范围内应力—应变曲线 中的应变随着温度的变化非线性增大材料脆性减 小塑性变形增大拉伸弹性模量减小；当温度升到 300℃时材料应变减小脆性增强弹性模量增大； 当温度从300℃升高到400℃时拉伸弹性模量总 的趋势减小但稍微比100～200℃范围内的弹性模 量大些．因而300℃是脆—塑转变的特征温度点． 比较岩石热处理后的应力—应变曲线［10］花岗岩的 拉伸弹性模量是随着温度的增大非线性减小应变 随着温度的升高而增加岩石随温度的增加脆性减 小塑性变形增加．脆性固体中宏观弱点的出现是 由于裂纹缺口周围存在着高度的应力集中．在拉伸 情况下其中有些裂纹逐渐扩大和传播并产生或导 致矿物颗粒边界或颗粒内部发生张开产生破坏前 无明显特征的突然破坏． 研究表明岩石的热应变是随着温度的升高而 增加热应变与温度之间的关系一般呈二次曲线或 三次曲线关系．而本实验研究发现：石灰岩在压缩 时的热应变是随着温度的增高而近似于非线性减 小．在拉伸时的热应变是随温度有增有减的．从室 温到300℃之间热应变随温度非线性增加；当从 300℃升温到400℃时热应变随温度非线性减小 脆性增加．最突出的特点是试样的力学性质参量 如抗压强度、弹性模量都在300℃取极值类似现象 未见报导．产生这种现象的原因可能是：经过从室 温到300℃温度加热后新热裂纹增殖使其强度下 降岩石中水分的蒸发和内部结构调整使材料的脆 性增强岩石在一定温度下的细观结构改变热开裂 将随着温度的再升高形成主要控制因素从而使材 料由脆性向塑性发展力学性质弱化． 3 岩石宏观热破坏作用机理 岩石是由一种或几种矿物物质组成的物体由 于组成岩石矿物的物理力学性质不同成岩条件和 成岩过程不同岩石内部组织结构也有很大的差异 造成岩石的非均匀性．岩石在单轴压缩和单轴拉伸 时裂纹的作用是不同的岩石的热断裂破坏机理也 是不同的． 3∙1 岩石在单轴受压时热裂纹的发展 在单轴受压过程中在外力和温度作用下岩石 内部矿物颗粒间的剪切滑移和膨胀导致热裂纹的萌 生从而改变了岩石内部的应力状态．在没有围压 的单轴压缩作用下岩石将产生沿轴向的张拉破坏 其破裂机制是张拉破坏为主局部剪切破坏．此外 裂纹尖端张应力和剪应力大小的不同对裂纹扩展方 式也有影响剪应力的增大使岩石颗粒体的刚度转 动加大这一运动使局部区域的应力分布更加复杂 裂纹分叉和曲折程度增加．再者由于温度的作用 岩石胶结物软化而造成胶结物承载能力下降．机械 压缩载荷和热应力共同作用在裂纹缺口处出现应 力集中由于胶结物强度较低通过胶结物传递给矿 物颗粒的应力不足以使颗粒破裂这样在缺口处的 胶结物产生孔洞导致胶结物与矿物晶体出现脱胶 和矿物颗粒间产生边界滑移因此不同矿物晶粒边 界间产生的热裂纹是温度作用下热裂纹产生的主 要生成机制．实验中可以观察到在压缩加载破坏 过程中试件表面崩溃几乎伴随着破坏的全过程特 别是在样品的边缘部分更是如此．在温度载荷作用 下产生的裂纹与裂纹扩展与常温下没有明显区别 主要位于加载方向沿着轴向发展最终导致试样的 第9期 谢卫红等： 岩石热断裂破坏特性研究 ·865·
,866 北京科技大学学报 第29卷 劈裂破坏，如图6所示， 用时这种矿物便组成受力骨架：而组成岩石中较软 的矿物因受力变形、受温度作用而软化，其分担载荷 的份额就比应该（如均匀受力的情况）承受的载荷 小，其二，由于矿物颗粒的分布是不均匀的，其组成 的受力骨架具有一定的随机性和不确定性，受力骨 架中也可能夹有某些软弱的矿物和微裂纹而使骨架 各处的强度不尽相同，因此受力骨架本身也内含程 度不同的缺陷，其三，微观研究表明，岩石中的微裂 纹多发育于矿物的交界面上，造成这种情况原因的 200Hm 多方面的，有的是由于结晶缺陷造成的，有的是由于 胶结不良，还有的是岩石在其构造历史上受力作用 使坚硬矿物嵌入软弱矿物而发育成裂纹 图6单轴受压时热裂纹的扩展(T=100℃) Fig-6 Thermal crack propagation under uniaxial compression(T 3.4岩石拉、压热破坏机理 =100℃) 由于岩石具有组织结构的不均匀性，在载荷作 用下，有的坚硬矿物具有相当大的刚性，会使一定的 3.2岩石在单轴受拉时热裂纹的发展 应力转化为弹性应变能而储存起来；而有的软弱矿 在单轴拉伸过程中，岩石产生的微破裂与压缩 物又处在主要传力途径上，因而会迅速达到屈服甚 实验稍有差别，属张应力作用，当岩石受拉应力作 至流动.岩石在常温下随着外力的增加，内部会产 用时，最大的应力集中是在裂纹的尖端处，当应力 生两个相互关联的作用：其一是由于应力集中，特别 达到某一临界值时，裂纹就从缺口端部处开始延伸， 是在受力骨架中矿物颗粒的某些软弱结构面或矿物 并保持在裂纹原平面中发展，最初裂纹的扩展是稳 的解理面处于易于扩展的方向时，就会引起原有裂 定的，即随应力的增加而逐渐延伸，应力减小后裂纹 纹的进一步扩展或产生新的微裂纹，其后果是使受 就不再变形：但随着拉应力的进一步升高，裂纹的扩 力骨架被局部削弱，有效弹性模量也相应减小，造成 展越来越大，裂纹端部应力集中是增长的，包含裂纹 对岩石的弱化作用，其二是在裂纹扩展或新的裂纹 的岩石抵抗载荷的能力越来越小，若裂纹向其他裂 产生的过程中，使得应力重新分配，力的传递途径和 纹处扩展，则引起裂纹间贯通，以致于在进一步温度 受力骨架的组成都会发生一定的变化，在一定的应 载荷作用下，岩石发生破坏，与压缩状态时裂纹的 力水平下，这种应力转移现象只有在部分比较坚硬 发展不同，这里裂纹的形状与最初时一样，并且一个 的矿物中产生，并重新组成新的受力结构，达到新的 临界方向的裂纹可导致整个试件的破裂（由于拉伸 平衡，这时裂纹扩展或新的微破裂的产生才会停止 破坏的突然性，没有捕捉到破坏前裂纹的扩展图 下来，在某种意义上可以称之为对岩石的强化作用， 片)，从其破坏的石灰岩碎片中取样，经电子扫描显 在升高的温度作用下，岩石中胶结物弱化和软化，胶 微镜观察，见到多组密而宽的拉伸型张裂纹，裂纹壁 结物粘结力降低，矿物颗粒间相互联接不再可靠，可 不十分光滑，一端较锐利，延伸不远，易于形成锯齿 将矿物颗粒视为刚体的运动.当受拉伸力作用时， 状、两组相互交切的追踪张裂纹，其交角近乎垂直， 矿物颗粒可能产生旋转和平移，从而出现横向位移 这表明，引张破裂是由试件沿垂直主应力方向的面 当温度和外载荷达到一定值时，岩石内部才会出现 突然完全分离而形成，张裂纹大致垂直于最大主应 结构重排现象.而在压缩加载过程中，由于加载开 力 始就是裂纹闭合阶段，因此，结构重排发生在加载开 3.3岩石非均匀性的影响 始阶段，机制的不同使得试件在单向拉伸和单向压 岩石的非均质性和不连续性都是岩石的基本特 缩时表现出不同的力学性能 性，并且具有一定的相关性.岩石在温度载荷作用 下的变形和破坏不仅与岩石内部存在的大量微裂纹 4岩石热断裂破坏判据 有关，而且与岩石细观结构的非均质性有关，这是 对岩石这类脆性材料而言，达到破坏所呈现的 因为：其一，组成岩石的各种矿物的变形特性不同， 应变很小，而达到破坏点的应力又是与应变成比例 有的质地坚硬，弹性模量大，因而刚度大，抵抗变形 的，所以脆性材料很容易因温度变化产生微小热应 的能力也大；有的耐热性能好，在承受外载和温度作 变而达到应力的破坏值，目前，对脆性材料的热破
劈裂破坏如图6所示． 图6 单轴受压时热裂纹的扩展（ T＝100℃） Fig．6 Thermal crack propagation under uniaxial compression （ T ＝100℃） 3∙2 岩石在单轴受拉时热裂纹的发展 在单轴拉伸过程中岩石产生的微破裂与压缩 实验稍有差别属张应力作用．当岩石受拉应力作 用时最大的应力集中是在裂纹的尖端处．当应力 达到某一临界值时裂纹就从缺口端部处开始延伸 并保持在裂纹原平面中发展．最初裂纹的扩展是稳 定的即随应力的增加而逐渐延伸应力减小后裂纹 就不再变形；但随着拉应力的进一步升高裂纹的扩 展越来越大裂纹端部应力集中是增长的包含裂纹 的岩石抵抗载荷的能力越来越小．若裂纹向其他裂 纹处扩展则引起裂纹间贯通以致于在进一步温度 载荷作用下岩石发生破坏．与压缩状态时裂纹的 发展不同这里裂纹的形状与最初时一样并且一个 临界方向的裂纹可导致整个试件的破裂（由于拉伸 破坏的突然性没有捕捉到破坏前裂纹的扩展图 片）．从其破坏的石灰岩碎片中取样经电子扫描显 微镜观察见到多组密而宽的拉伸型张裂纹裂纹壁 不十分光滑一端较锐利延伸不远易于形成锯齿 状、两组相互交切的追踪张裂纹其交角近乎垂直． 这表明引张破裂是由试件沿垂直主应力方向的面 突然完全分离而形成张裂纹大致垂直于最大主应 力． 3∙3 岩石非均匀性的影响 岩石的非均质性和不连续性都是岩石的基本特 性并且具有一定的相关性．岩石在温度载荷作用 下的变形和破坏不仅与岩石内部存在的大量微裂纹 有关而且与岩石细观结构的非均质性有关．这是 因为：其一组成岩石的各种矿物的变形特性不同． 有的质地坚硬弹性模量大因而刚度大抵抗变形 的能力也大；有的耐热性能好在承受外载和温度作 用时这种矿物便组成受力骨架；而组成岩石中较软 的矿物因受力变形、受温度作用而软化其分担载荷 的份额就比应该（如均匀受力的情况）承受的载荷 小．其二由于矿物颗粒的分布是不均匀的其组成 的受力骨架具有一定的随机性和不确定性受力骨 架中也可能夹有某些软弱的矿物和微裂纹而使骨架 各处的强度不尽相同因此受力骨架本身也内含程 度不同的缺陷．其三微观研究表明岩石中的微裂 纹多发育于矿物的交界面上．造成这种情况原因的 多方面的有的是由于结晶缺陷造成的有的是由于 胶结不良还有的是岩石在其构造历史上受力作用 使坚硬矿物嵌入软弱矿物而发育成裂纹． 3∙4 岩石拉、压热破坏机理 由于岩石具有组织结构的不均匀性在载荷作 用下有的坚硬矿物具有相当大的刚性会使一定的 应力转化为弹性应变能而储存起来；而有的软弱矿 物又处在主要传力途径上因而会迅速达到屈服甚 至流动．岩石在常温下随着外力的增加内部会产 生两个相互关联的作用：其一是由于应力集中特别 是在受力骨架中矿物颗粒的某些软弱结构面或矿物 的解理面处于易于扩展的方向时就会引起原有裂 纹的进一步扩展或产生新的微裂纹其后果是使受 力骨架被局部削弱有效弹性模量也相应减小造成 对岩石的弱化作用．其二是在裂纹扩展或新的裂纹 产生的过程中使得应力重新分配力的传递途径和 受力骨架的组成都会发生一定的变化．在一定的应 力水平下这种应力转移现象只有在部分比较坚硬 的矿物中产生并重新组成新的受力结构达到新的 平衡这时裂纹扩展或新的微破裂的产生才会停止 下来在某种意义上可以称之为对岩石的强化作用． 在升高的温度作用下岩石中胶结物弱化和软化胶 结物粘结力降低矿物颗粒间相互联接不再可靠可 将矿物颗粒视为刚体的运动．当受拉伸力作用时 矿物颗粒可能产生旋转和平移从而出现横向位移． 当温度和外载荷达到一定值时岩石内部才会出现 结构重排现象．而在压缩加载过程中由于加载开 始就是裂纹闭合阶段因此结构重排发生在加载开 始阶段．机制的不同使得试件在单向拉伸和单向压 缩时表现出不同的力学性能． 4 岩石热断裂破坏判据 对岩石这类脆性材料而言达到破坏所呈现的 应变很小而达到破坏点的应力又是与应变成比例 的所以脆性材料很容易因温度变化产生微小热应 变而达到应力的破坏值．目前对脆性材料的热破 ·866· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第9期 谢卫红等：岩石热断裂破坏特性研究 .867. 坏判据有临界应力破坏判据、剪切破坏判据、热冲击 起始温度 阻抗准则等理论[8].根据各种岩石热破坏机理与岩 分别计算得到试件在各温度作用下受压和受拉 石强度准则的内在联系，对于本实验，可用最大正应 破坏时产生的最大应力如表1所示 力准则来衡量岩石材料抵抗热破坏的能力 表1温度作用下受压和受拉试件热断裂破坏时产生的最大应力 $0 Table 1 The maximum thermal fracture stress in uniaxial compression E and tension under temperature (1) 5o=-v9 温度/ 单压理论计 单压实 单拉理论计 单拉实 ℃ 算值/MPa 验值/MPa 算值/MPa 验值/MPa 式中，v为材料的泊松比，E为弹性模量，o为初始 100 88.99 72.57 6.79 4.64 应力，0、，o为初始应变. 200 91.36 82.45 8.44 6.15 根据实验试件尺寸和加载情况，取薄板初始应 300 98.37 61.14 9.81 2.93 力为00=0，g,0=0,则： 400 12.32 10.19 E g=1(+)=1[o+T+ 500 105.15 52.68 以5o十T)]=w十n 将计算结果与实验结果相比，可以看出理论计 算的结果偏大，原因是理论计算时没有考虑到岩石 8=1-z[(so+T)十(e0十aT)]g= 的非均质性和不确定性等因素，再加上原始损伤和 1[(50+aT)+以o十T)]=5ar 人为损伤，使得岩石实际上比理论上更容易破坏，从 而出现理论计算值与实际破坏值偏差较大， (2) 当用最大破裂危险准则时，对于本试件，则取： 5结论 6*= .1-y (1)利用带扫描电镜的高温疲劳实验机，对石 °EaT (3) 灰岩在温度作用下进行了较为系统的实时实验研 其中，σ*量纲1的热应力，T为温度，α为热膨胀系 究，实验研究发现，石灰岩在压缩时的热应变是随 数 着温度的增高而近似于非线性减小，表明初始变形 定义一个量纲1的换热系数B,则B=bh,其中 能由材料热膨胀引起，而随后温度增大导致材料脆 b为圆盘厚度的一半，h为圆盘表面与周围介质的 性增加，热应变相应减小， 热交换系数 (2)探讨了岩石宏观热破坏的作用机理，岩石 13.25 (4) 在单轴压缩和单轴拉伸时，裂纹的作用是不同的，因 而岩石的热断裂破坏机理也是不同的，断裂破坏机 在给定表面换热系数的情况下，材料出现损坏 制的不同使得试件在单向拉伸和单向压缩时表现出 的最低温差为： 不同的热力学性能， -1- 、3.25 (5) (③)根据岩石热破坏机理与岩石强度准则，用 最大正应力准则计算了实验试件在各温度作用下受 其中，k为导热系数，S为换热系数，oma为最大热应 压和受拉破坏时产生的最大应力，其结果较好地说 力 明了实验现象， 当单向拉伸时： T-40-3 Ea (6) 参考文献 [1】寇绍全，热开裂损伤对花岗岩变形及破环特性的影响力学学 当单向压缩时： 报，1987,19(6)：550 1-1-爱 、3.25 (7) [2]Hueze F E.High-temperature mechanical physical and thermal properties of granitic rocks-A review.Int J Rock Mech Min Sci 根据实验得到的应力一应变曲线和查表取系 Geomech Abstr,1983.20(1):3 数，将这些参数代入下式： [3]Brede M.The brittle to-ductile transition in silicon.Acta Metall Mter.1993,41:211 4=(TA-To)E6S/[3.25k(1-)](8) [4]Khantha M.Pope D P,Vitek V.Mechanism of yielding disloca- 其中，为材料的破环强度，TA为终点温度，To为 tion free crystals at finite temperature.Acta Mater.1997.45
坏判据有临界应力破坏判据、剪切破坏判据、热冲击 阻抗准则等理论［8］．根据各种岩石热破坏机理与岩 石强度准则的内在联系对于本实验可用最大正应 力准则来衡量岩石材料抵抗热破坏的能力． εx0＝ σ0 E εy0＝—ν σ0 E （1） 式中ν为材料的泊松比E 为弹性模量σ0 为初始 应力εx0、εy0为初始应变． 根据实验试件尺寸和加载情况取薄板初始应 力为 σx0＝σ0σy0＝0则： σx＝ E 1—ν2（εx＋νεy）＝ E 1—ν2［εx0＋αT＋ ν（εy0＋αT）］＝σ0＋ E 1—ν αT σy＝ E 1—ν2［（εy0＋αT）＋ν（εx0＋αT）］σy＝ E 1—ν2［（εy0＋αT）＋ν（εx0＋αT）］＝ E 1—ν αT （2） 当用最大破裂危险准则时对于本试件则取： σ∗＝σ 1—ν EαT （3） 其中σ∗量纲1的热应力T 为温度α为热膨胀系 数． 定义一个量纲1的换热系数 β则 β＝bh其中 b 为圆盘厚度的一半h 为圆盘表面与周围介质的 热交换系数． 1 σ∗ max ＝ 3∙25 β （4） 在给定表面换热系数的情况下材料出现损坏 的最低温差为： Tf＝ kσmax Eα （1—ν） 3∙25 bζ （5） 其中k 为导热系数ζ为换热系数σmax为最大热应 力． 当单向拉伸时： Tf＝ k（σf—σ0） Eα （1—ν） 3∙25 bζ （6） 当单向压缩时： Tf＝ kσf Eα （1—ν） 3∙25 bζ （7） 根据实验得到的应力—应变曲线和查表取系 数将这些参数代入下式： σf＝（ T A— T0） Eαbζ／［3∙25k（1—ν）］ （8） 其中σf 为材料的破坏强度T A 为终点温度T0 为 起始温度． 分别计算得到试件在各温度作用下受压和受拉 破坏时产生的最大应力如表1所示． 表1 温度作用下受压和受拉试件热断裂破坏时产生的最大应力 Table1 The maximum thermal fracture stress in uniaxial compression and tension under temperature 温度／ ℃ 单压理论计 算值／MPa 单压实 验值／MPa 单拉理论计 算值／MPa 单拉实 验值／MPa 100 88∙99 72∙57 6∙79 4∙64 200 91∙36 82∙45 8∙44 6∙15 300 98∙37 61∙14 9∙81 2∙93 400 — — 12∙32 10∙19 500 105∙15 52∙68 — — 将计算结果与实验结果相比可以看出理论计 算的结果偏大．原因是理论计算时没有考虑到岩石 的非均质性和不确定性等因素再加上原始损伤和 人为损伤使得岩石实际上比理论上更容易破坏从 而出现理论计算值与实际破坏值偏差较大． 5 结论 （1） 利用带扫描电镜的高温疲劳实验机对石 灰岩在温度作用下进行了较为系统的实时实验研 究．实验研究发现石灰岩在压缩时的热应变是随 着温度的增高而近似于非线性减小．表明初始变形 能由材料热膨胀引起而随后温度增大导致材料脆 性增加热应变相应减小． （2） 探讨了岩石宏观热破坏的作用机理．岩石 在单轴压缩和单轴拉伸时裂纹的作用是不同的因 而岩石的热断裂破坏机理也是不同的．断裂破坏机 制的不同使得试件在单向拉伸和单向压缩时表现出 不同的热力学性能． （3） 根据岩石热破坏机理与岩石强度准则用 最大正应力准则计算了实验试件在各温度作用下受 压和受拉破坏时产生的最大应力其结果较好地说 明了实验现象． 参 考 文 献 ［1］ 寇绍全．热开裂损伤对花岗岩变形及破坏特性的影响．力学学 报198719（6）：550 ［2］ Hueze F E．High-temperature mechanical physical and thermal properties of granitic rocks—A review．Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr198320（1）：3 ［3］ Brede M．The brittle-to-ductile transition in silicon．Acta Metall Mater199341：211 ［4］ Khantha MPope D PVitek V．Mechanism of yielding dislocation-free crystals at finite temperature．Acta Mater199745： 第9期 谢卫红等： 岩石热断裂破坏特性研究 ·867·